Aurélie 11/05/09
 

 

Fonctionnement d'une pile concours ENI GEIPI 2009.

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On sait par expérience que le cuivre métallique est attaqué chimiquement s’il est plongé dans une solution d’ions Fe3+. L’analyse chimique au cours de la réaction met en évidence l’apparition d’ions ferreux et cuivriques (respectivement Fe2+ et Cu2+).

Ecrire l’équation-bilan de cette réaction.

Cu(s) + 2Fe3+aq = 2Fe2+ aq + Cu2+aq.

Préciser parmi les espèces chimiques présentes celles qui jouent le rôle d’oxydant / le rôle de réducteur lors de la réaction.

Le cuivre Cu(s) s'oxyde en ion Cu2+aqsuivant : Cu(s) = Cu2+aq + 2e-.

La cuivre Cu(s) joue le rôle de réducteur.

Fe3+aq se réduit en Fe2+ aq suivant : 2 Fe3+aq + 2e- = 2Fe2+ aq

Fe3+aq joue le rôle d'oxydant.


On connaît la valeur de la constante d’équilibre de la réaction à température ambiante : K = 4.1014.

Donner l’expression littérale de K en fonction des concentrations des réactants à l’équilibre.

K = [Fe2+ aq]2[Cu2+aq] / [Fe3+aq]2.

On réalise maintenant le dispositif expérimental suivant, dans lequel les concentrations sont :

• compartiment 1 : solution de sulfate de cuivre : [CuSO4] = 0,01 mol.L-1.

• compartiment 2 : solution de chlorure de fer II [FeCl2] = 0,01 mol.L-1 + chlorure de fer III [FeCl3] = 0,01 mol.L-1.

Le pont salin est quant à lui constitué d’une solution gélifiée de chlorure de potassium de concentration massique [KCl] = 75 g L-1.

Calculer la concentration molaire de la solution du pont salin. M(K) =39,1 g/mol ; M(Cl) = 35,5 g/mol.

M(KCl )= 39,1 +35,5 =74,6 g/mol

Concentration molaire = concentration massique / masse molaire = 75/ 74,6 =1,0 mol/L.

Déterminer le quotient réactionnel Q du système au début de l’expérience (interrupteur ouvert).

Q = [Fe2+ aq]i2[Cu2+aq]i / [Fe3+aq]i2 = 0,012*0,01 / 0,012 = 0,01.

Q << K donc évolution spontanée dans le sens direct.





Fonctionnement de la pile :

On ferme l’interrupteur.

Compléter le schéma en précisant :

- la polarité + / - des deux électrodes

- s’il existe, le sens du courant dans le conducteur ohmique

- s’il existe, le sens du courant dans le pont salin

- la nature des électrodes : anode ou cathode : compartiment 1 - compartiment 2

- les réactions électrochimiques : compartiment 1 - compartiment 2

 





Après 60 minutes, on peut mesurer que la masse électrode de cuivre a diminué de 88,9 mg . M(Cu) = 63,5 g/mol.

Quelle quantité (en mol) de cuivre métal a été consommée ?

n = m/ M = 88,9 10-3 / 63,5 =1,40 10-3 mol.

Quelle est la quantité d’électricité (en C) échangée pendant ces 60 minutes ? faraday : 1 F = 96500 C/mol

Cu(s) = Cu2+aq + 2e-.

d'où la quantité de matière d'électrons n(e-) = 2 n(Cu) = 2,8 10-3 mol.

Q = n(e-) F = 2,8 10-3 *96500 =270,2 ~270 C.

Quelle a été l’intensité moyenne du courant électrique débité par la pile pendant ce temps (I moyenne sur 60 minutes ) ?

I= Q/t = 270 / (60*60) = 7,5 10-2 A.

Au bout d’un temps très long, l’intensité du courant décroît et finit par s’annuler.

Donner alors la valeur du quotient réactionnel du système.

L'équilibre est atteint : Q = K = 4.1014.





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